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文檔簡介
1、:1張鈞林、嚴(yán)彪、王德平、袁華編著:材料科學(xué)基礎(chǔ),社,2006.教學(xué)參考書:化學(xué)工業(yè)1.大學(xué)、蔡珣、戎詠華編著: 材料科學(xué)基礎(chǔ)(第三版), 2010.,交通2. 潘金生、仝健民、田民波編著:材料科學(xué)基礎(chǔ)(修訂板),2011.,3. 張,黃學(xué)輝、宋曉嵐編著:材料科學(xué)基礎(chǔ),理工大學(xué)社,2004.4. 石德珂編著:材料科學(xué)基礎(chǔ)(第二版),機(jī)械工業(yè),2003.,20015. 徐恒均編著:材料科學(xué)基礎(chǔ),工業(yè)大學(xué)6. William F.Smith, Javad Hashemi: Foundations of Materials Science and Engineering ,China Machine
2、 Press,2011. 課程基本要求 學(xué)生學(xué)完本課程后應(yīng)該達(dá)到以下基本要求:(1)熟練掌握材料組成、結(jié)構(gòu)、性能及工藝的相互作用及辯證關(guān)系。掌握材料的結(jié)合方式、晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及結(jié)晶化學(xué)原理。掌握無機(jī)材料(金屬材料及非金屬材料)的晶體結(jié)構(gòu)特征、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征、高分子材料的結(jié)構(gòu)特征。掌握晶體缺陷類型、模型和特點(diǎn)。掌握材料相變的基本概念及其分類,了解相變動(dòng)力學(xué)、相變熱力學(xué)的基本內(nèi)容及其應(yīng)用實(shí)例。掌握材料的結(jié)晶過程、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)條件、結(jié)晶熱力學(xué)條件、形核及長大規(guī)律。了解材料玻璃化過程的條件及特征。掌握材料的相結(jié)構(gòu)特征及相圖的基本知識(shí)。包括二元相圖和三元相圖的表示方法、基本類型及其分析閱讀的一般方法。了解
3、固體材料中的原子及分子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,了解材料的基本物理化學(xué)性能。課程基本內(nèi)容0 緒論 了解材料科學(xué)的形成和發(fā)展簡史,材料科學(xué)的社會(huì)地位及在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用。第一章 固體材料中的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)固體材料中的原子結(jié)構(gòu)及鍵合方式(離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、分子鍵、氫鍵),高分子鏈的近程及結(jié)構(gòu)特征。原子鍵合的本質(zhì)及其對材料性能的影響。晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)(晶體結(jié)構(gòu)特征及基本性能、空間點(diǎn)陣、晶體的宏觀對稱性和晶體的分類、布拉維格子、晶體定向和晶面符號(hào))。第二章 晶體結(jié)構(gòu)與缺陷晶體化學(xué)基本原理,配位數(shù)及配位多面體。典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)、離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)、共價(jià)晶體的晶體結(jié)構(gòu)。點(diǎn)缺陷的概念、類型,線缺陷(位錯(cuò))的定
4、義、基本類型和特征、柏氏矢量的定義、特性和表示方法,面缺陷中的晶界。晶體缺與主要參考書陷對材料性能的影響。材料的相結(jié)構(gòu)概念及其分類。固溶體、中間相、晶體相、玻璃相等的形成規(guī)律、結(jié)構(gòu)特征及性能特點(diǎn)。重點(diǎn)內(nèi)容為固溶體的定義、分類及其特征。金屬間化合物的定義、分類和特征。相圖的表示和制作方法,描述相圖的基本要點(diǎn)、相律和杠桿定理的概念。典型二元相圖(勻晶、共晶、包晶)的平衡析晶過程的分析、組織形貌及平衡相、平衡組織的計(jì)算。三元相圖的成分表示方法(成分三角形),和投影圖簡介。相圖的應(yīng)用實(shí)例。材料相變的基本概念、分類及其特征。相變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件及結(jié)構(gòu)條件。晶核的均勻成核和非均勻成核條件及特征、晶
5、體長大的條件、機(jī)制及界面形態(tài)。相變理論的應(yīng)用實(shí)例。描述固體中原子擴(kuò)散的表象理論(擴(kuò)散第一定律、第二定律)及其應(yīng)用,擴(kuò)散中原子遷移的微觀機(jī)制。金屬材料的形變和再結(jié)晶概念及其對材料組織與性能的影響。高分子材料中的分子運(yùn)動(dòng)及其在不同力學(xué)狀態(tài)下的分子運(yùn)動(dòng)解說(高分子材料中的分子運(yùn)動(dòng)對力學(xué)行為的影響)。功能材料的物理基礎(chǔ)概述、介紹材料的電性能、磁性能、熱性能、光學(xué)性能及抗腐蝕和耐老化等化學(xué)性能。校精品課程材料科學(xué)的主要任務(wù)就是以現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科理論為基礎(chǔ),從電子、原子、分子間結(jié)合力、晶體及非晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、結(jié)構(gòu)缺陷等觀點(diǎn)研究材料的各種性能以及材料在制造和應(yīng)用過程中的行為,了解結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)
6、用之間的規(guī)律關(guān)系,提高現(xiàn)有材料的性能、發(fā)揮材料的潛力,并能動(dòng)地探索和發(fā)展新型材料。本課程的教學(xué)內(nèi)容共有十一章:第一章,固體材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí):共4節(jié),包括:原子結(jié)構(gòu)及鍵合、晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、固體材料的表面及晶界結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。第二章,晶體結(jié)構(gòu)與缺陷:共5節(jié),包括:晶體化學(xué)基本原理、典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)、離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)、共價(jià)晶體的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷。第三章:材料的相結(jié)構(gòu)及相圖:共4節(jié),包括:材料的相結(jié)構(gòu)、二元系相圖、三元相圖、相圖熱力學(xué)基礎(chǔ)。第四章:材料的相變:共3節(jié),包括:相變的概念及其分類、相變動(dòng)力學(xué)、相變熱力學(xué)。第六章 材料的功能特性第五章 材料的擴(kuò)散、形變、再結(jié)晶及高分子材
7、料中的分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律第四章 材料的相變第三章 材料的相結(jié)構(gòu)及相圖第五章:金屬材料的結(jié)構(gòu)特征:共3節(jié),包括:純金屬的凝固及結(jié)晶、單相固溶體的凝固及結(jié)晶、兩相共晶體的凝固及結(jié)晶。第六章:無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)特征:共3節(jié),包括:無機(jī)非金屬材料的顯微結(jié)構(gòu)、硅酸鹽材料的晶體結(jié)構(gòu)、熔體及非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)。第七章:高分子的結(jié)構(gòu)特征:共4節(jié),包括:概述、高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)、高分子鏈的態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)、高分子第八章:復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征:共5節(jié),包括:復(fù)合材料的定義及形態(tài)分類、復(fù)合材料的復(fù)合原理、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的強(qiáng)化和韌化理論、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。第九章:材料的力學(xué)性能:共4節(jié),包括:金屬和無機(jī)非金屬
8、材料的力學(xué)性能、高分子材料的力學(xué)性能、復(fù)合材料的力學(xué)性能、材料力學(xué)性能的綜合比較。第十章:材料的物理化學(xué)性能:共5節(jié),包括:材料的電性能、材料的磁性能、材料的熱性能、材料的光學(xué)性能、材料的抗腐蝕和耐老化性能。第十一章:材料的、強(qiáng)化與韌化:共3節(jié),包括:材料的基本原理及方法、材料強(qiáng)化基本原理和方法、材料韌化基本原理與方法。課后練習(xí)解答第一章習(xí)題一,解釋下列名稱或術(shù)語鍵合力:固體材料中原子間用于相連接及保持一定的幾何形狀或物性的結(jié)合力。晶格能::在0k 時(shí)1mol 離子化合物的各種離子相互移動(dòng)至無限遠(yuǎn)及拆散成氣態(tài)所需要的能量電負(fù)性:原子得到電子的能力空間格子:將晶體的結(jié)構(gòu)基元抽象成幾何點(diǎn),將實(shí)際晶
9、體使用三維點(diǎn)陣表示的空間結(jié)構(gòu)晶胞:砸實(shí)際晶體中劃分出的平行六面體基元點(diǎn)陣:把晶體的原子、離子或原子等結(jié)構(gòu)抽象成幾何的點(diǎn)平行六面體:空間格子中的最小基元,由六個(gè)兩兩平行且大小相等的面組成晶面指數(shù):表示晶體中點(diǎn)陣平面的指數(shù),由晶面在三個(gè)晶軸的截距值決定點(diǎn)群:宏觀晶體對賀元素集合而成結(jié)的晶學(xué)群晶面常數(shù):晶體定向中,軸率a:b:c 和軸角 , 統(tǒng)稱為晶體的幾何常數(shù)二,分別簡述形成離子鍵和金屬鍵的條件和特點(diǎn)離子鍵:條件:X1.7特點(diǎn):沒有飽和性和方向性共價(jià)鍵:條件:0.7X1.7特點(diǎn):有飽和性和方向性金屬鍵:條件:X0.5特點(diǎn):沒有飽和性和明顯的反向性三,范德華鍵和氫鍵的聯(lián)系和區(qū)別聯(lián)系:都是依靠分子或分
10、子的偶極矩引力而形成區(qū)別:范德華鍵無飽和性和方向性,氫鍵有明顯的飽和性和方向性四,簡述元素周期表中金屬離子半徑變化的規(guī)律同周期隨原子序數(shù)增加而減小,同主軸隨原子序數(shù)增加而增大,對角線上離子半徑大小大致相等。五,寫出單型對稱性。柱,四方柱,四方雙錐,六方柱填型中各晶面的晶面指數(shù),并寫出它們的柱晶面指數(shù)(0 0 0 1)(0 0 0 1)(1 1 2 0)(1 2 1 0)(2 1 1 0)對稱型 L33L23PC四方柱晶面指數(shù)(0 0 1)(0 10)(1 0 0)(01 0)(1 0 0)(00 1)對稱型 L44L25PC四方雙錐晶面指數(shù)(011)(101)(011)(1 01)(01 0)
11、(1 00)(0 1 0)(1 0 0)(011)(101)(011)(1 01)對稱型 L44L25PC六方柱晶面指數(shù)(0001)(000 1)(01 10)(1 010)(1 1 00 )(0 1 1 0)(1 0 1 0)(1 1 00)對稱型 L46L27PC六,寫出立方體中六個(gè)晶面指數(shù)(0 0 1)(0 0 1)(0 1 0)(1 00)(010)(1 00)七,在六方晶體中標(biāo)出晶面(0 0置0 1)(21 1 0)(1 010)(1 1 20)(1 2 1 0)的位(0001)面 opqrst(2 1 1 0)面 osso(1010)面 tsst(1 1 2 0)面trrt(121
12、0)面 qssq第二章1,原子半徑:分子原子的中心距為兩個(gè)原子半徑之和離子半徑:離子周圍的一個(gè)其他原子不能侵入的范圍配位數(shù):在晶體結(jié)構(gòu)中,一個(gè)原子或離子直接相鄰的原子或異號(hào)離子數(shù)目稱為配位數(shù)點(diǎn)缺陷:亦稱零維缺陷,缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上,即三維反向上的缺陷都很小熱缺陷:是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)肖特基缺陷:質(zhì)點(diǎn)由面位置遷移到新表面位置,而在晶體表面形成新的一層,同時(shí)在晶體內(nèi)部留下空位弗倫克爾缺陷:質(zhì)點(diǎn)離開正常格點(diǎn)后進(jìn)入到晶格間隙位置,其特征是空位和間隙點(diǎn)成對出現(xiàn)位錯(cuò):質(zhì)點(diǎn)在一維方向上偏離理想晶體中的周期性,規(guī)則性排列多產(chǎn)生的缺陷,這種缺陷的尺寸在一維方向上較長,而在另二維方
13、向上較短2,四面體空隙個(gè)數(shù)=8*n/4=2n八面體空隙個(gè)數(shù)=6*n/6=n當(dāng)大小不等的球體進(jìn)行堆積時(shí),其中較大的球?qū)戳胶土⒎阶罹o密堆積方式進(jìn)行堆積,而較小的球按自身大小填入其中的八面體空隙中或四面體空隙中3,原子數(shù)配位數(shù)堆積系數(shù)面心立方480.68體心立方2120.74密排立方6120.744,證明:晶胞體積=33/2*a2*1.6a原子體積=4/3(a2/2)*6原子體積占晶胞體積=原子體積/晶胞體積=74.9%空隙率=1-74.9%=25.1%5,刃型位錯(cuò)的特點(diǎn):伯格斯矢量與刃型位錯(cuò)垂直刃型位錯(cuò)有正負(fù)之分,把多余半原子面在滑移面上邊的刃型位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò),反之為負(fù)刃型位錯(cuò)在刃型位錯(cuò)的
14、周圍要發(fā)生晶體的畸變,在多余的半原子面的這一邊晶體收擠壓縮變形,原子間距離變小,而另一邊的晶體則受拉膨脹變形,原子間距增大,從而使位錯(cuò)周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)變,形成應(yīng)力場位錯(cuò)在晶體中引起的畸變在位錯(cuò)處最大,離位錯(cuò)線越遠(yuǎn)的晶格畸變越小,原子嚴(yán)重錯(cuò)排列的區(qū)域只有幾個(gè)原子間距,因此,位錯(cuò)是沿位錯(cuò)線為中心的一條狹長管道螺旋位錯(cuò)的特征:伯格斯矢量與刃型位錯(cuò)平行螺旋位錯(cuò)分為左旋和右旋,根據(jù)螺旋面旋轉(zhuǎn)方向,符合右手法則的稱為右旋螺旋位錯(cuò),符合左手法則的稱為左旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)只引起剪切畸變,而不引起體積膨脹和收縮,因?yàn)榇嬖诰Ц窕?,所以在位錯(cuò)線附近也形成應(yīng)力場,同樣的,離位錯(cuò)線距離越遠(yuǎn),晶格畸變越小,螺旋位錯(cuò)也只包含幾
15、個(gè)原子寬度的線缺陷。第三章1,根據(jù)和金組成元素及原子相互作用的不同,固態(tài)下形成的合金相基本上可以分為固溶體和中間相兩大類。和純金屬相比,由于溶質(zhì)原子的溶入導(dǎo)致固溶體的點(diǎn)陣常數(shù),力學(xué)性能,物理和化學(xué)性能產(chǎn)生了不同程度的變化。點(diǎn)陣常數(shù)的變化,由于溶質(zhì)和溶劑原子的大小不同,引起點(diǎn)陣畸變并導(dǎo)致點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生變化產(chǎn)生固溶強(qiáng)化,由于溶質(zhì)原子溶入,使固溶體強(qiáng)度,硬度升高物理和化學(xué)性能的變化,固溶體合金隨著固溶度的增加,點(diǎn)陣畸變增大,一般固溶體的電阻率升高,同時(shí)降低電阻溫度系數(shù),有序變化時(shí)因原子間結(jié)合力增加,點(diǎn)陣畸變和反相畸變存在等都會(huì)引起固溶體性能突變,除了硬度和屈服升高,電阻率降低外,甚至有非鐵磁性合金有序
16、變化后會(huì)具有明顯的鐵磁性2,材料的結(jié)構(gòu)指的是材料的原子結(jié)構(gòu),結(jié)合鍵,原子的排列方式以及顯微組織,而組織指用金相觀察材料時(shí)看到的涉及晶體或晶粒大小,方向,形狀,排列狀況等組成關(guān)系的組成物,材料的性能取決于其結(jié)構(gòu),只有改變了材料的結(jié)構(gòu)才能達(dá)到改變性能的目的,材料的組織結(jié)構(gòu)的變化決定了其力學(xué)性能,物理性能和化學(xué)性能。3,中間相可以是化合物,也可以是以化合物為基的固溶體,中間相通??梢杂没衔锏幕瘜W(xué)分子表示,大多數(shù)中間相原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其它典型鍵相混合的式,因此它們都具有金屬性和固溶體一樣,電負(fù)性,電子濃度和原子尺寸對中間相的形成及晶體結(jié)構(gòu)性能都有影響,中間相可分為正常價(jià)化合物,電子化合物
17、,原子尺寸與超結(jié)構(gòu)。有關(guān)的化合物4,共晶型:固態(tài)時(shí)兩組元完全互不相溶,存在一個(gè)共晶溫度,此時(shí)三相共存同晶型:固態(tài)液態(tài)時(shí)兩個(gè)組元都能以任意比例互溶包晶型:包晶型中有一個(gè)固溶體的了、凝固溫度隨溶質(zhì)濃度增加升高,而無低共共晶和包晶是恒溫轉(zhuǎn)變過程,而勻晶不是。共晶和包晶有一條恒溫轉(zhuǎn)變溫度線5,設(shè)一組為 Wd 熔體,從高溫開始冷卻,當(dāng)溫度降至液相線 AB 上的 A 點(diǎn)時(shí),開始析出固溶體 ,隨著溫度下降,固相組成沿 AC 變化,液相沿 AE 變化,并且 漸增,L 漸減,當(dāng)溫度降到固相線 CD 時(shí),L 相組成E,固溶體 組成為 C,此時(shí)從液相中析出固溶體 共晶剛結(jié)束時(shí) W 液/W 固=MF/FNL= L+
18、初= 初+(+)共=+ 初與(+)共 初=(XE-XW)/(XE XC)*100%(+)共=(1-) *100%共晶剛結(jié)束時(shí):=(XD-XW)/(XD XC)*100%=(1-) *100%6,f=c-+2=3-(一元情況下)因?yàn)橐辉蹜B(tài)時(shí)存在存在固溶體兩組元,即 =2 f=1,所以此相變過程中溫度不變在相界上各點(diǎn)表示了一元組分的固溶關(guān)系,隨著時(shí)間變化,固液兩相組分不斷改變,因此相界線上點(diǎn)多為狀態(tài)點(diǎn)。7,兩元相圖相界線上為單相相界線上 f=2-1+1=2,表示在單相區(qū)可任意變動(dòng)溫度和組成而不會(huì)使相的數(shù)量發(fā)生變化兩相共存區(qū) f=2-2+1=1,表示溫度變化時(shí),液相和固相的組成和數(shù)量也隨之變化8
19、,成分為40%B 的合金首先凝固出來的固體成分為80%B若首先凝固出來的固體成分含60%,合金成分為20%成分為70%B 的合金最后凝固的液體成分為30%B合金成分為50%B,凝固到某溫度時(shí)液體含有40%B,固體含有80%B第五章晶體凝固的熱力學(xué);晶體形核、長大過程;固溶體平衡凝固和非平衡凝固的條件和組織;1,金屬從液相至固相的轉(zhuǎn)變稱為凝固,如果凝固后的固體是晶體,則又稱為結(jié)晶2,過冷度:與實(shí)際凝固溫度之差過冷現(xiàn)象:金屬開始凝固的溫度恒低于其大,實(shí)際結(jié)晶溫度越低。,同一金屬,結(jié)晶的冷卻速度越大,過冷度越金屬凝固的基本過程是形核與晶核的長大,形核的熱學(xué)驅(qū)動(dòng)力是固體與液態(tài)的值,只有在過冷條件下才具
20、有這一動(dòng)力焓負(fù)差3,純金屬晶體的結(jié)晶石通過形核和長大兩個(gè)過程進(jìn)行的4,晶粒:在凝固時(shí),每一個(gè)晶核在每一個(gè)溫度下擴(kuò)散充分進(jìn)行而形成的的物質(zhì)成分均勻一致晶界:在純金屬中,晶核接著長成球形,然后迅速變得不穩(wěn)定,并形成枝晶,這些枝晶在溶液中生長,最終互相接觸,凝固成純金屬,其枝晶本身的痕跡已經(jīng),但在各個(gè)枝晶的相接處形成可見的晶界。5,單晶體:質(zhì)點(diǎn)按同一取向排列,由一個(gè)晶核生長而成,各向異性的晶體多晶體:由許多不同位向的小晶粒而組成多晶體每個(gè)晶粒具有各向異性,但由于晶粒位向不同,加上晶界作用,使各晶粒的有向性互相抵消,所有整個(gè)多晶體呈現(xiàn)出無向性。第六章2,特征:顯微結(jié)構(gòu)常有三種組成:晶相,玻璃相和氣相主
21、要鍵合為離子鍵,共價(jià)鍵和他們的混合鍵組成多樣,從元素上說,可由一種元素或多種元素組成,從化合物來說,可以由簡單化合物到由多種復(fù)雜的化合物組成的混合物4,從負(fù)離子立方堆積出發(fā),說明以下結(jié)構(gòu)類型:正離子填滿所有四面體空隙位置正離子填滿一半填滿所有八面體空隙位置答:A2X 反螢石型AX 閃鋅型AX NaCl 型5,負(fù)離子六方堆積出發(fā)正離子填滿一半四面體空隙一半八面體空隙AX 纖鋅礦型AX2金紅石型陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)包括三個(gè)主要內(nèi)容:晶相、玻璃相和氣孔,其中晶相又有多種,它們之間的比例和各自得特性都要影響材料整體的物理化學(xué)性能;例如晶相中的鍵合問題,玻璃相中的化學(xué)組成問題、氣孔的形態(tài)問題等;無機(jī)非金屬
22、材料(硅酸鹽材料)?一種或多種金屬元素(,等,通常為)的化合物,主要是金屬氧化物和金屬非金屬氧化物,幾乎包括除金屬、高分子外的所有材料。傳統(tǒng)四大類:陶瓷、玻璃、水泥、防火材料。特點(diǎn):)性能上:高,高硬度,耐熱,耐磨損,耐氧化,耐化學(xué)腐蝕,電性能,光性能好。)結(jié)構(gòu)上:由三種不同的組成。晶相多相:主晶相:主晶相的性能標(biāo)志著陶瓷材料的物化性能。次晶相、第三晶相不能忽視,雜質(zhì)次晶相使優(yōu)良性能大大降低。之間比例與各自特性對材料整體物化性能影響玻璃相:作用:填充晶粒間隙或起黏結(jié)劑作用,將分散晶粒黏結(jié)在一起提高致密度。降低燒結(jié)溫度,改善工藝和抑制晶粒長大。組成很不均勻,物理性質(zhì)也不均勻力學(xué)強(qiáng)度低,穩(wěn)定性差,
23、容易軟化,故陶瓷材料的不利。氣相(氣孔):形態(tài)類型:開口氣孔閉口氣孔陶瓷的許多電、熱性能都隨氣孔率、氣孔尺寸及分布不同而發(fā)生變化,所以要合理控制氣孔的含量、形態(tài)、分布?;瘜W(xué)鍵合:離子鍵:既不具有方向性也不具有飽和性,所以有利于離子在空間密堆排列,離子晶體的密度和大。共價(jià)鍵:既具有方向性又有飽和性,不能達(dá)到密堆,堆積密度較低,共價(jià)晶體硬度高密度小,導(dǎo)電性低兩者混合鍵離子的堆積方法;哥希密特的結(jié)晶化定律:晶體的結(jié)構(gòu)取決于其組成質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系、大小關(guān)系與極化關(guān)系。物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)可按照化學(xué)式類型 AX,AX2,A2X3來的質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系不同,結(jié)構(gòu)不同。,化學(xué)式類型不同,表示組成晶體晶體中組成質(zhì)點(diǎn)的極化性
24、能不同,反映各離子的極化率不同,結(jié)構(gòu)不同。晶體中組成質(zhì)點(diǎn)的大小不同,則離子半徑比值不同,配位數(shù)與晶體結(jié)構(gòu)不同。典型無機(jī)化合物的晶體結(jié)構(gòu);氯化鈉晶體、氯化銫晶體、閃鋅礦晶體、纖鋅礦晶體、螢石晶體結(jié)構(gòu),特別應(yīng)該了解在這些晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)離子的堆積方法、配位數(shù)、孔隙特征(四面體空隙和八面體空隙)等問題;一個(gè)晶胞中堆積方法配位數(shù)孔隙特征CsCl1個(gè)Bcc均8NaCl4個(gè)兩個(gè) fcc 疊加均64個(gè)八面體,8個(gè)四面體,Na+完全填塞于八面體空隙中8個(gè)四面體,4個(gè)八面體,Zn+交錯(cuò)處于八分之一的立方體中心,占據(jù)四面體空隙數(shù)半數(shù)Zn2+填入半數(shù)四面體空隙F-填充在八個(gè)小立方體中心,8個(gè)四面體全被占據(jù),八面體全
25、空閃鋅礦(ZnS)4個(gè)兩套 fcc 疊加均4纖鋅礦(大方 ZnS)S2-六方最密堆積均4螢石(CaF2)Ca2+ fccCa2+ -8;F- -4第七章高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)、高分子鏈的結(jié)構(gòu);高分子的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu):晶體結(jié)構(gòu)、非晶體結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)的基本概念、特征、機(jī)構(gòu)對性能的影響;重點(diǎn)要求掌握高分子鏈的組成、構(gòu)型、高分子鏈的柔順性等概念,高分子鏈柔順性的影響,高分子晶態(tài)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型)。1,近程結(jié)構(gòu):高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)包括鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成,序列結(jié)構(gòu)等問題方式,空間立構(gòu)和交聯(lián),結(jié)構(gòu):高分子構(gòu)象結(jié)構(gòu)包括分子的大小與形態(tài),鏈的柔順性及分子在各環(huán)境中所采用的結(jié)構(gòu)單元;組成高分子長鏈的小
26、的均聚物重復(fù)單元:簡單重復(fù)結(jié)構(gòu)單元又稱鏈節(jié),至少為雙官能團(tuán)的單體通過雙鍵打開,縮合聚合或開環(huán)聚合形成鏈結(jié)構(gòu),當(dāng)中重復(fù)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)為單元結(jié)構(gòu)。均方末端距:末端距是指線形高分子鏈的一端到另一端達(dá)到直線距離,將末端距先平方再平均即鈞方末端距。均方旋轉(zhuǎn)半徑:指從大分子鏈的質(zhì)量中心到各個(gè)鏈段的質(zhì)量中心的距離旋轉(zhuǎn)鏈:假定分子鏈中每一個(gè)鍵都可以在鍵角所允許的方向轉(zhuǎn)動(dòng),不考慮空間位阻對移動(dòng)的影響,稱這種鏈為旋轉(zhuǎn)鏈。高斯鏈:末端距分布符合高斯函數(shù)的分子鏈分子構(gòu)象:由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子在空間的不同形態(tài)成為構(gòu)象高分子構(gòu)型:通過化學(xué)鍵固定分子中原子的空間排列,要改變構(gòu)型必須經(jīng)過化學(xué)鍵的斷裂和重組。2,聚合物分子具
27、有鏈狀結(jié)構(gòu),一個(gè)典型的線型聚合物分子鏈長度與直徑之比是很大的,這樣一根細(xì)而長的聚合物鏈在無外力作用下,不可能是一條直線,一定要卷成團(tuán),聚合物鏈能以不同程度卷曲的特性稱為柔順性,柔順性是高分子特有的屬性,是橡膠高彈性的根由,也是決定高分子形態(tài)的主要,對高分子的物理力學(xué)性能有根本的影響。4,由于熱運(yùn)動(dòng),分子的構(gòu)象在時(shí)刻改變著,高分子能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔順性,有熵增原理,孤立的高分子鏈總是自發(fā)的采取卷曲的構(gòu)象,使構(gòu)象熵趨于最大,從而導(dǎo)致高分子長鏈具有柔性,因此,高分子鏈的柔性本質(zhì)是熵運(yùn)動(dòng)。第八章復(fù)合材料的定義和基本特點(diǎn);復(fù)合材料的組成、結(jié)構(gòu)層次;增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制;不同復(fù)合材料界面功能,作用
28、機(jī)理;復(fù)合材料界面的粘結(jié)方式,偶聯(lián)的作用機(jī)理。1,指倆種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)的不同的物質(zhì)組成的一種多相固態(tài)物質(zhì),復(fù)合材料中一相為連續(xù)相為基體,占主要組成之分,另一相為分散相,稱為增強(qiáng)相,分散相以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中增強(qiáng),也顆粒狀或彌散的填料,兩相間存在著相界面。3,復(fù)合材料起增強(qiáng)作用的組分,在基體摻入增強(qiáng)體的過程中,增強(qiáng)體盡量不受損,增強(qiáng)體在集體中按要求的方向和數(shù)量有規(guī)律排列和分布,在符合材料中增強(qiáng)材料與基體間有良好的界面結(jié)合。4,基體材料和基體之間的化學(xué)成分有顯著的變化,使二者彼此結(jié)合,并且有傳遞荷載作用的微小區(qū)域,傳遞效應(yīng),阻斷效應(yīng),不連續(xù)效應(yīng),散射效應(yīng),吸收效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)。第
29、九章材料的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線;由拉伸試驗(yàn)獲得材料的各種力學(xué)性能指標(biāo)的基本概念;材料強(qiáng)度、塑性、韌性、何黏彈性的概念;材料斷裂的形式及鑒別;第十章材料的物理性能含義;材料的物理性能:電性能、熱性能、光性能、聲性能、磁性能材料的電性能,固體材料中的電子能帶結(jié)構(gòu)基本理論;電性能:材料在外加電壓或電場作用下的行為及其的各種物理現(xiàn)象。材料按電學(xué)性質(zhì)可分為:超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。絕緣體和介電性;能帶磁性材料的分類及性能的量度;磁性材料磁性材料物質(zhì)都具有的屬性按物質(zhì)對原磁場影響:抗磁性物質(zhì):使原磁場減弱順磁性物質(zhì):使原磁場略有增加鐵磁性及亞鐵磁性物質(zhì):使原磁場強(qiáng)烈增加根據(jù)磁性材料在外磁場作用下的性能特
30、點(diǎn):軟糍材料硬磁材料磁性的量度材料熱性質(zhì),熱應(yīng)力熱性能三種熱效應(yīng):吸熱熱熔熱膨脹熱膨脹系數(shù)傳熱熱導(dǎo)率導(dǎo)熱:一個(gè)物體個(gè)部分溫度不均勻或兩個(gè)溫度不同的物體向接觸,人能會(huì)從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳輸,這種現(xiàn)象叫做導(dǎo)熱。時(shí)間面劑熱流過的熱量(熱流密度)本質(zhì):由于溫差發(fā)生的材料相鄰部分間的能量遷移:電子傳導(dǎo)晶格振動(dòng)傳導(dǎo) 分子或鏈段傳導(dǎo)熱應(yīng)力:物體中因溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力:因熱脹冷縮受到限制 因溫度梯度 多相符合材料因各相膨脹系數(shù)不同材料的抗腐蝕和耐老化性能;腐蝕:材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)物理作用引起的變質(zhì)或破壞現(xiàn)象金屬陶瓷腐蝕高分子老化分類:物、化、電化、大氣、溶劑、高溫、氣氛、局部化學(xué)腐蝕:材料與環(huán)境介質(zhì)
31、直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 不產(chǎn)生電流腐蝕產(chǎn)物沉積在材料表面物理腐蝕:不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),以物理變化產(chǎn)生破壞 高分子:縮脹、溶解、應(yīng)力開裂、滲透破壞。電化學(xué)腐蝕:金屬與酸、堿、鹽等電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生作用而引起的腐蝕,有電生。重點(diǎn)第一章習(xí)題一,解釋下列名稱或術(shù)語鍵合力:固體材料中原子間用于相連接及保持一定的幾何形狀或物性的結(jié)合力。晶格能::在0k 時(shí)1mol 離子化合物的各種離子相互移動(dòng)至無限遠(yuǎn)及拆散成氣態(tài)所需要的能量電負(fù)性:原子得到電子的能力空間格子:將晶體的結(jié)構(gòu)基元抽象成幾何點(diǎn),將實(shí)際晶體使用三維點(diǎn)陣表示的空間結(jié)構(gòu)晶胞:砸實(shí)際晶體中劃分出的平行六面體基元點(diǎn)陣:把晶體的原子、離子或原子等結(jié)構(gòu)抽象成幾何的點(diǎn)平
32、行六面體:空間格子中的最小基元,由六個(gè)兩兩平行且大小相等的面組成晶面指數(shù):表示晶體中點(diǎn)陣平面的指數(shù),由晶面在三個(gè)晶軸的截距值決定點(diǎn)群:宏觀晶體對賀元素集合而成結(jié)的晶學(xué)群晶面常數(shù):晶體定向中,軸率a:b:c 和軸角 , 統(tǒng)稱為晶體的幾何常數(shù)二,分別簡述形成離子鍵和金屬鍵的條件和特點(diǎn)離子鍵:條件:X1.7特點(diǎn):沒有飽和性和方向性共價(jià)鍵:條件:0.7X1.7特點(diǎn):有飽和性和方向性金屬鍵:條件:X0.5特點(diǎn):沒有飽和性和明顯的反向性三,范德華鍵和氫鍵的聯(lián)系和區(qū)別聯(lián)系:都是依靠分子或分子的偶極矩引力而形成區(qū)別:范德華鍵無飽和性和方向性,氫鍵有明顯的飽和性和方向性四,簡述元素周期表中金屬離子半徑變化的規(guī)律
33、同周期隨原子序數(shù)增加而減小,同主軸隨原子序數(shù)增加而增大,對角線上離子半徑大小大致相等。五,寫出單型對稱性。柱,四方柱,四方雙錐,六方柱填型中各晶面的晶面指數(shù),并寫出它們的柱晶面指數(shù)(0 0 0 1)(00 0 1)(1 1 2 0)(1 2 1 0)(2 1 1 0)對稱型 L33L23PC四方柱晶面指數(shù)(0 0 1)(0 10)(1 0 0)(01 0)(1 0 0)(00 1)對稱型 L44L25PC四方雙錐晶面指數(shù)(011)(101)(011)(1 01)(01 0)(1 0 0)(0 1 0)(1 0 0)(011)(101)(011)(1 01)對稱型 L44L25PC六方柱晶面指數(shù)
34、(0 001)(000 1)(01 10)(1 0 10)(1 1 0 0 )(0 1 1 0)(1 2 1 0)的位(0001)面 opqrst(2 1 1 0)面 osso(1010)面 tsst(1 1 2 0)面trrt(1210)面 qssq第二章1,原子半徑:分子原子的中心距為兩個(gè)原子半徑之和離子半徑:離子周圍的一個(gè)其他原子不能侵入的范圍配位數(shù):在晶體結(jié)構(gòu)中,一個(gè)原子或離子直接相鄰的原子或異號(hào)離子數(shù)目稱為配位數(shù)點(diǎn)缺陷:亦稱零維缺陷,缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上,即三維反向上的缺陷都很小熱缺陷:是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點(diǎn)肖特基缺陷:質(zhì)點(diǎn)由面位置遷移到新表面位置,而在晶
35、體表面形成新的一層,同時(shí)在晶體內(nèi)部留下空位弗倫克爾缺陷:質(zhì)點(diǎn)離開正常格點(diǎn)后進(jìn)入到晶格間隙位置,其特征是空位和間隙點(diǎn)成對出現(xiàn)位錯(cuò):質(zhì)點(diǎn)在一維方向上偏離理想晶體中的周期性,規(guī)則性排列多產(chǎn)生的缺陷,這種缺陷的尺寸在一維方向上較長,而在另二維方向上較短2,四面體空隙個(gè)數(shù)=8*n/4=2n八面體空隙個(gè)數(shù)=6*n/6=n當(dāng)大小不等的球體進(jìn)行堆積時(shí),其中較大的球?qū)戳胶土⒎阶罹o密堆積方式進(jìn)行堆積,而較小的球按自身大小填入其中的八面體空隙中或四面體空隙中3,原子數(shù)配位數(shù)堆積系數(shù)面心立方480.68體心立方2120.74密排立方6120.744,證明:晶胞體積=33/2*a2*1.6a原子體積=4/3(a2/
36、2)*6原子體積占晶胞體積=原子體積/晶胞體積=74.9%空隙率=1-74.9%=25.1%5,刃型位錯(cuò)的特點(diǎn):伯格斯矢量與刃型位錯(cuò)垂直刃型位錯(cuò)有正負(fù)之分,把多余半原子面在滑移面上邊的刃型位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò),反之為負(fù)刃型位錯(cuò)在刃型位錯(cuò)的周圍要發(fā)生晶體的畸變,在多余的半原子面的這一邊晶體收擠壓縮變形,原子間距離變小,而另一邊的晶體則受拉膨脹變形,原子間距增大,從而使位錯(cuò)周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)變,形成應(yīng)力場位錯(cuò)在晶體中引起的畸變在位錯(cuò)處最大,離位錯(cuò)線越遠(yuǎn)的晶格畸變越小,原子嚴(yán)重錯(cuò)排列的區(qū)域只有幾個(gè)原子間距,因此,位錯(cuò)是沿位錯(cuò)線為中心的一條狹長管道螺旋位錯(cuò)的特征:伯格斯矢量與刃型位錯(cuò)平行螺旋位錯(cuò)分為左旋和右
37、旋,根據(jù)螺旋面旋轉(zhuǎn)方向,符合右手法則的稱為右旋螺旋位錯(cuò),符合左手法則的稱為左旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)只引起剪切畸變,而不引起體積膨脹和收縮,因?yàn)榇嬖诰Ц窕?,所以在位錯(cuò)線附近也形成應(yīng)力場,同樣的,離位錯(cuò)線距離越遠(yuǎn),晶格畸變越小,螺旋位錯(cuò)也只包含幾個(gè)原子寬度的線缺陷。第三章1,根據(jù)和金組成元素及原子相互作用的不同,固態(tài)下形成的合金相基本上可以分為固溶體和中間相兩大類。和純金屬相比,由于溶質(zhì)原子的溶入導(dǎo)致固溶體的點(diǎn)陣常數(shù),力學(xué)性能,物理和化學(xué)性能產(chǎn)生了不同程度的變化。點(diǎn)陣常數(shù)的變化,由于溶質(zhì)和溶劑原子的大小不同,引起點(diǎn)陣畸變并導(dǎo)致點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生變化產(chǎn)生固溶強(qiáng)化,由于溶質(zhì)原子溶入,使固溶體強(qiáng)度,硬度升高物理和化
38、學(xué)性能的變化,固溶體合金隨著固溶度的增加,點(diǎn)陣畸變增大,一般固溶體的電阻率升高,同時(shí)降低電阻溫度系數(shù),有序變化時(shí)因原子間結(jié)合力增加,點(diǎn)陣畸變和反相畸變存在等都會(huì)引起固溶體性能突變,除了硬度和屈服升高,電阻率降低外,甚至有非鐵磁性合金有序變化后會(huì)具有明顯的鐵磁性2,材料的結(jié)構(gòu)指的是材料的原子結(jié)構(gòu),結(jié)合鍵,原子的排列方式以及顯微組織,而組織指用金相觀察材料時(shí)看到的涉及晶體或晶粒大小,方向,形狀,排列狀況等組成關(guān)系的組成物,材料的性能取決于其結(jié)構(gòu),只有改變了材料的結(jié)構(gòu)才能達(dá)到改變性能的目的,材料的組織結(jié)構(gòu)的變化決定了其力學(xué)性能,物理性能和化學(xué)性能。3,中間相可以是化合物,也可以是以化合物為基的固溶體
39、,中間相通常可以用化合物的化它典型鍵相混合的式,尺寸對中間相的形成及晶體原子尺寸有關(guān)的化合物此時(shí)三相共存加升高,而無低共恒溫轉(zhuǎn)變溫度線上的 A 點(diǎn)時(shí),開始析出固溶并且 漸增,L 漸減,當(dāng)溫液相中析出固溶體 共晶剛結(jié)束時(shí) W 液/W 固=MF/FNL= L+ 初= 初+(+)共=+ 初與(+)共 初=(XE-XW)/(XE XC)*100%(+)共=(1-) *100%共晶剛結(jié)束時(shí):=(XD-XW)/(XD XC)*100%=(1-) *100%6,f=c-+2=3-(一元情況下)因?yàn)橐辉蹜B(tài)時(shí)存在存在固溶體兩組元,即 =2 f=1,所以此相變過程中溫度不變在相界上各點(diǎn)表示了一元組分的固溶關(guān)系
40、,隨著時(shí)間變化,固液兩相組分不斷改變,因此相界線上點(diǎn)多為狀態(tài)點(diǎn)。7,兩元相圖相界線上為單相相界線上 f=2-1+1=2,表示在單相區(qū)可任意變動(dòng)溫度和組成而不會(huì)使相的數(shù)量發(fā)生變化兩相共存區(qū) f=2-2+1=1,表示溫度變化時(shí),液相和固相的組成和數(shù)量也隨之變化8,成分為40%B 的合金首先凝固出來的固體成分為80%B若首先凝固出來的固體成分含60%,合金成分為20%成分為70%B 的合金最后凝固的液體成分為30%B合金成分為50%B,凝固到某溫度時(shí)液體含有40%B,固體含有80%B第五章晶體凝固的熱力學(xué);晶體形核、長大過程;固溶體平衡凝固和非平衡凝固的條件和組織;1,金屬從液相至固相的轉(zhuǎn)變稱為凝固
41、,如果凝固后的固體是晶體,則又稱為結(jié)晶2,過冷度:與實(shí)際凝固溫度之差過冷現(xiàn)象:金屬開始凝固的溫度恒低于其大,實(shí)際結(jié)晶溫度越低。,同一金屬,結(jié)晶的冷卻速度越大,過冷度越金屬凝固的基本過程是形核與晶核的長大,形核的熱學(xué)驅(qū)動(dòng)力是固體與液態(tài)的值,只有在過冷條件下才具有這一動(dòng)力焓負(fù)差3,純金屬晶體的結(jié)晶石通過形核和長大兩個(gè)過程進(jìn)行的4,晶粒:在凝固時(shí),每一個(gè)晶核在每一個(gè)溫度下擴(kuò)散充分進(jìn)行而形成的的物質(zhì)成分均勻一致晶界:在純金屬中,晶核接著長成球形,然后迅速變得不穩(wěn)定,并形成枝晶,這些枝晶在溶液中生長,最終互相接觸,凝固成純金屬,其枝晶本身的痕跡已經(jīng),但在各個(gè)枝晶的相接處形成可見的晶界。5,單晶體:質(zhì)點(diǎn)按
42、同一取向排列,由一個(gè)晶核生長而成,各向異性的晶體多晶體:由許多不同位向的小晶粒而組成多晶體每個(gè)晶粒具有各向異性,但由于晶粒位向不同,加上晶界作用,使各晶粒的有向性互相抵消,所有整個(gè)多晶體呈現(xiàn)出無向性。第六章2,特征:顯微結(jié)構(gòu)常有三種組成:晶相,玻璃相和氣相主要鍵合為離子鍵,共價(jià)鍵和他們的混合鍵組成多樣,從元素上說,可由一種元素或多種元素組成,從化合物來說,可以由簡單化合物到由多種復(fù)雜的化合物組成的混合物4,從負(fù)離子立方堆積出發(fā),說明以下結(jié)構(gòu)類型:正離子填滿所有四面體空隙位置正離子填滿一半填滿所有八面體空隙位置答:A2X 反螢石型AX 閃鋅型AX NaCl 型5,負(fù)離子六方堆積出發(fā)正離子填滿一半
43、四面體空隙一半八面體空隙AX 纖鋅礦型AX2金紅石型陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)包括三個(gè)主要內(nèi)容:晶相、玻璃相和氣孔,其中晶相又有多種,它們之間的比例和各自得特性都要影響材料整體的物理化學(xué)性能;例如晶相中的鍵合問題,玻璃相中的化學(xué)組成問題、氣孔的形態(tài)問題等;無機(jī)非金屬材料(硅酸鹽材料)?一種或多種金屬元素(,等,通常為)的化合物,主要是金屬氧化物和金屬非金屬氧化物,幾乎包括除金屬、高分子外的所有材料。傳統(tǒng)四大類:陶瓷、玻璃、水泥、防火材料。特點(diǎn):)性能上:高,高硬度,耐熱,耐磨損,耐氧化,耐化學(xué)腐蝕,電性能,光性能好。)結(jié)構(gòu)上:由三種不同的組成。晶相多相:主晶相:主晶相的性能標(biāo)志著陶瓷材料的物化性能。次
44、晶相、第三晶相不能忽視,雜質(zhì)次晶相使優(yōu)良性能大大降低。之間比例與各自特性對材料整體物化性能影響玻璃相:作用:填充晶粒間隙或起黏結(jié)劑作用,將分散晶粒黏結(jié)在一起提高致密度。降低燒結(jié)溫度,改善工藝和抑制晶粒長大。組成很不均勻,物理性質(zhì)也不均勻力學(xué)強(qiáng)度低,穩(wěn)定性差,容易軟化,故陶瓷材料的不利。氣相(氣孔):形態(tài)類型:開口氣孔閉口氣孔陶瓷的許多電、熱性能都隨氣孔率、氣孔尺寸及分布不同而發(fā)生變化,所以要合理控制氣孔的含量、形態(tài)、分布。化學(xué)鍵合:離子鍵:既不具有方向性也不具有飽和性,所以有利于離子在空間密堆排列,離子晶體的密度和大。共價(jià)鍵:既具有方向性又有飽和性,不能達(dá)到密堆,堆積密度較低,共價(jià)晶體硬度高密度小,導(dǎo)電性低兩者混合鍵離子的堆積方法;哥希密特的結(jié)晶化定律:晶體的結(jié)構(gòu)取決于其組成質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系、大小關(guān)系與極化關(guān)系。物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)可按照化學(xué)式類型 AX,AX2,A2X3來的質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系不同,結(jié)構(gòu)不同。,化學(xué)式類型不同,表示組成晶體晶體中組成質(zhì)點(diǎn)的極化性能不同,反映各離子的極化率不同
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